生物技術是指利用生物及其代謝產物,運用科學與工程的原理,對材料進行處理,以提供產品和服務。生物技術包括那些利用活生物體來改進產品,改良植物或動物,或為特殊用途培養微生物的技術。生物技術作為21世紀前沿科學的一項高新技術,對于解決人類所面臨的食品短缺、健康問題、環境破壞、能源緊張以及知識經濟的挑戰是至關重要的,世界上有遠見的國家都把生物技術確定為增強國力和經濟實力的關鍵性技術之一。生物技術的應用與發展越來越深刻地影響著世界經濟,并推動著社會發展的進程。石油作為優質能源和寶貴的化工原料,其本身就是一種特殊的生物產品。隨著生物技術的突飛猛進和地球上石油資源的逐漸短缺,生物技術和石油的關系也越來越密切。 1　應用生物技術勘探石油很早以前,人們就發現在油氣礦藏的附近,一些生物會產生某種特異變化。于是,利用這種生物形態的特性來尋找油氣資源,并且很快發展成為一門完善的專業技術。20世紀40-60年代,隨著生物技術的發展,微生物培養及菌數測定方法得到極大提高,利用微生物勘探石油的技術得到迅速發展。根據直接探測油氣的有關理論,地下烴類的向上滲透使地表和地球化學環境發生了變化,無論是根植于地下的較高等植物,還是散布其間的低等生物都會由此發生變異。用現代手段分析檢測這種變異,再經過適當的數據處理,就可能達到預測油氣藏的目的。美國一些油田曾對地表生長的草本植物———灌叢濱藜進行系統的微量元素測量,結果發現在產油區邊界上長大的這種植物,由于微滲透烴類在土壤上部的氧化,使植物對過渡元素(鐵、錳、釩)的吸收加強,而對堿土元素(鈣、鍶、鋇)的吸收減弱。在油氣田地表底土中存在著能利用氣態烴為碳源的微生物,這些菌在土壤中的含量與土中的烴濃度存在著對應關系,因而可作為勘探地下油氣藏的指示菌。 　　測量微生物群落的耐毒性,也是一種頗為新穎的生物找油嘗試。由于向地表滲透的烴類常常吸附金屬離子,因此近地表成了微生物群落所必須適應的環境,通過微生物質粒的遺傳突變,形成了能耐受環境中毒素的種群,耐毒性大小與環境的毒素濃度成正比,其大小具有檢測和統計的意義。這種方法既能探測石油礦藏,也能探測天然氣礦藏。現代石油工業根據石油的生物標志特征可以研判石油的生成相和油源。我國石油工作者就是根據生物標志特征,判斷出柴達木盆地西部剖面油砂和瀝青的前身原油是成熟原油,與柴達木盆地東部北緣冷湖地區等侏羅系原油較相似,與西部第三系鹽湖相原油明顯不同,與西部侏羅系剖面烴源巖具有較相似的特征,它們具有水體相對較深的湖相有機質形態,其源巖應該是侏羅系的。隨著生物技術的拓寬和深化,研究生物形態變異與石油相關規律,將會取得進一步成果,有可能在目前尚未開發的區域,比如深山密林、深海谷底、冰川、南北極、深層構造等環境地域,探測到更多的油氣礦藏,大大提高石油的儲采比,增加石油儲備。 2　生物技術應用于開采石油微生物采油技術起源于美國,Ｄａｖｉｄｓｏｎ和Ｒｕｓｓｅｌｌ在俄克拉荷馬州Ｓｔｅｐｈｅｎｓ縣的ＲｏｙａｌＬｏｃｏ單元最早進行了礦場試驗,取得了滿意成果。由于其經濟性和環保性,微生物采油技術成為目前國內外發展較迅速的一項提高原油采收率的技術,也是21世紀的一項高新生物技術。與其他三次采油技術相比,微生物采油技術具有適用范圍廣,工藝簡單,投資少,見效快,無污染等特點,因而越來越受到人們的重視。 　　近年來各油田都相繼開展了微生物采油技術的研究,取得了很大的進展。常規開采石油的一次采油,僅能開采出地下石油儲量的30%左右,二次采油需加壓、注水、注氣等,能獲得儲量的10%～20%,油藏中的剩余石油由于吸附在巖石空隙間,難以開采。生物采油技術將經過專門培養的具有特殊功能的細菌,注入油井油層內使其發揮作用。特殊微生物的作用機理有:①某些特殊微生物對石油中長鏈石蠟和網狀膠質瀝青的乳化分解作用,使石油中的石蠟、膠質、瀝青部分轉變為輕質油,增加石油的流動性,從而獲得更多的石油。②某些微生物在其生長過程中分泌和排出體外的代謝產物具有表面活性劑的性能,通過其代謝產物如高聚物、糖酯等物質,降低油層表面張力,使巖石中的束縛油粘度降低,流動性增加,從巖石、砂土中析出,從而提高采油量。③某些用分子生物學技術來構建的微生物,能在地層中產生大量二氧化碳和甲烷等氣體,增加地層壓力,提高采收率。④某些生物還具有消除地層堵塞的作用。 　　微生物采油技術目前主要集中于對稀油中蠟質的降解作用,遼河油田錦州采油廠于1995年在412區塊上開展了用于稠油開采的針對膠質、瀝青質的微生物采油技術研究工作,1996年進入礦場試驗階段,現已取得成功,把微生物采油技術擴展到了稠油開采領域[4～5],國外的研究也表明,利用生物技術可以提高重油采收率,并且更符合環保要求[3]。20世紀中期,隨著介于地質學和微生物學之間的邊緣科學———地質微生物學的逐漸興起,微生物在有機礦(石油、煤等)的形成和破壞過程中的作用得到了研究,為利用微生物提高原油采收率的技術提供了更多的理論指導。隨著研究的深入,石油采收率必將大大提高,目前進入開發后期的各個油田,可以重新煥發活力,繼續產出大量的石油,極大地緩解目前能源緊張的局面。 3　生物技術應用于石油煉制和化工石油中含有的硫、氮等元素在石油加工利用過程中會污染環境、產生酸雨,必須脫除。目前國內外開發了多種從石油產品中脫除硫、氮的工藝,運用生物技術對油品進行脫硫脫氮的研究也時有報道。傳統脫硫方法是加氫脫硫(ＨＤＳ)。ＨＤＳ是在金屬催化劑的作用下,對石油進行高溫高壓的脫硫處理,將含硫有機化合物中的硫轉變為Ｈ2Ｓ,再從系統中分離出去。但Ｈ2Ｓ的存在會毒害脫硫系統的催化劑,這使得高含硫石油的ＨＤＳ變得復雜化。而生物手段脫除石油中硫的方法為人們提供了經濟可行的路線。生物技術脫硫是在溫和的條件下,利用適宜的細菌代謝過程使石油脫硫,在生化反應過程中,脫硫劑可以再生或自身補充。能源生物系統公司(ＥＢＣ)開發了一種細菌選擇脫除柴油中硫的新工藝。 　　該工藝的生物催化劑經過基因工程設計,具有很高的酶活性,能選擇性氧化柴油中的硫。ＥＢＣ公司經過努力,改善了工藝,降低了成本,產生了可觀的潛在效益,并在建造應用裝置。采用生物技術對石油產品脫氮,微生物菌種的選擇和培養是關鍵。由于石油成分復雜,含有多種對微生物有毒害作用的物質,如醛、酚、鹵代烴、烯烴、多環芳烴、重金屬離子等。因此,如何有效地降低石油中毒物對微生物的影響和培養抗毒能力強的微生物,成為石油生物脫氮技術開發應用的關鍵。20世紀50年代微生物技術開始在石油化學工業中得到應用,如生產丙酮、乙醇、乙酸、草酸等的發酵工藝。60年代石油微生物學興起,以石油為原料生產單細胞蛋白的工業化成為可能。 　　70年代生物分子學的突破,出現了生物催化劑固定化技術。80年代ＤＮＡ重組技術和細胞融合技術的崛起,生化反應工程應運而生,為人們在石油化工領域開發精細化學品提供了重要手段和工具。隨著生物技術(基因重組、細胞融合、固定化酶)的發展,一種新型的化學 生物化學 生化工程的聯合生產過程正在石油化學工業中形成。生物技術為石油化工傳統工藝的改造、革新提供了手段,注入了新活力,化學工程又為生物工程的發展特別是其工業化提供了工具。因此,充分利用化學合成和生物合成的各自優點,并將它們有機地結合起來,那么生物石油化工的發展必將給人們帶來巨大的經濟效益和社會效益。 4　生物技術在環保方面的應用隨著石油工業的發展,在采油、煉油、運輸與利用過程中,不可避免地會造成對環境的污染。因此,對環境進行保護,防止和治理污染就特別重要。 4.1　生物技術應用于石油污染土壤的治理石油廢棄物對土壤的污染特別嚴重,大量的油泥不僅造成嚴重的環境問題,同時也給石油行業造成重大的經濟損失,因此石油污染土壤的治理是世界各國極為重視的熱點問題。其處理方法主要有3種:物理處理、化學處理和生物處理(生物修復)。其中生物修復技術被認為最具生命力。 　　生物修復技術是傳統的生物處理方法的發展,與物理、化學修復污染土壤技術相比,具有多種優點:①成本低于熱處理及物理、化學方法;②不破壞植物生長所需的土壤環境;③污染物氧化完全,沒有二次污染;④處理效果好,對低分子量的污染物去除率非常高;⑤可原位處理,操作簡單。國內土壤污染生物修復方法主要有植物法、動物法、微生物法等,國外主要有原位處理、現場處理、生物反應器等方法[。對微生物法,有人研究了對石油污染土壤的降解恢復機理,并對不同真菌類在不同環境條件下的效果進行了研究。生物修復技術雖然已經取得了長足的進展,但由于受生物特性的限制,生物修復技術還存在著許多的局限性:①微生物不能降解污染環境中的所有污染物,污染物的難生物降解性、不溶性以及污染物土壤腐殖質或泥土結合在一起常使生物修復難以進行。并且特定的微生物只降解特定的化合物類型,化合物形態一旦變化就難以被原有的微生物酶系降解,微生物活性受溫度和其他環境條件的影響也比較大。當污染物濃度太低不足以維持一定數量的降解菌時,殘余的污染物就會留在土壤中難以消除。②生物修復要求對地點狀況的工程前考察往往費時、費錢。③一些低滲透性土壤往往不宜采用生物修復技術。④如何開展對寒冷地區的污染土壤和海洋中的石油污染治理是生物修復尚待研究的一個重要課題。隨著對生物科學認識的深入以及微生物學的發展,生物修復技術必將得到極大的發展,并可推廣應用到其他多種行業。 4.2　生物技術應用于含油污水的治理從地下采出的石油中,常伴隨許多采出水。通常采用重力分離和氣浮工藝處理這些含油污水,但很難達到無害排放標準。目前多采用這些經過簡單凈化的污水作為注水驅油的水源,減小了對環境的污染。在無法回用的條件下,一般采用生物氧化法進一步深度處理,既可節省費用,又能保護環境。生物氧化法,是通過生物氧化作用將水中可溶性有機物以及氨化合物等分別轉化為水和二氧化碳、硝酸鹽和亞硝酸鹽,再經過澄清,去除懸浮物。 　<